Przyczyny i rozwiązania powstawania żeliwa w procesie SMT

Zjawisko koralika lutowniczegojest jedną z głównych wad produkcji w technologii montażu powierzchniowego (SMT). Ze względu na wiele przyczyn i trudności w sterowaniu często sprawia problemy inżynierom SMT.

Mechanizmy tworzenia kulek lutowniczych i kulek lutowniczych są różne, dlatego też wymagane środki zaradcze są również inne.

Kulki lutownicze skupiają się głównie po jednej stronie rezystorów chipowych i kondensatorów, a czasami pojawiają się w pobliżu pinów układu scalonego.

Kulki lutownicze nie tylko wpływają na wygląd produktów na poziomie płytki, ale co ważniejsze, ze względu na duże zagęszczenie elementów na płytce drukowanej, stwarzają ryzyko spowodowania zwarć w trakcie użytkowania, wpływając tym samym na jakość produktów elektronicznych.

Istnieje wiele przyczyn powstawania kulek lutowniczych, często wynikających z jednego lub wielu czynników. Dlatego w celu osiągnięcia skutecznej kontroli należy podjąć środki zapobiegawcze i doskonalące dla każdej przyczyny.

Mechanizmy kulek lutowniczych i kulek lutowniczych

1. Mechanizm formowania kulek lutowniczych

Główną przyczyną powstawania kulek lutowniczych jest „rozpryskiwanie się” stopionego stopu metalu ze złącza lutowniczego podczas jego tworzenia, z różnych powodów, w wyniku czego powstaje wiele małych, rozproszonych kulek lutowniczych wokół złącza.

Często pojawiają się jako skupione, dyskretne małe cząstki uwięzione w pozostałościach topnika wokół zakończeń komponentów lub pól padów. Typowe przyczyny to: zbyt szybkie nagrzewanie lub schładzanie lutu, szczególnie w procesach wysokotemperaturowych bez ołowiu, co może prowadzić do tworzenia się kulek lutowniczych. Podczas lutowania rozpływowego zbyt szybkie odparowanie stopionego topnika, duży udział rozpuszczalników w składzie topnika, nadmiar rozpuszczalników o wysokiej temperaturze wrzenia, niewłaściwe ogrzewanie itp. mogą zwiększać prawdopodobieństwo powstania kulki lutowniczej. Nadmierne utlenianie lutowanych powierzchni lub cyny w paście lutowniczej może powodować nierównomierne nagrzewanie i topienie masy lutowniczej podczas lutowania, wpływając w ten sposób na przewodnictwo cieplne i zachowanie topnika w zakresie przenoszenia ciepła, a także zwiększając możliwość tworzenia się kulek lutowniczych. Niekorzystne czynniki występujące podczas stosowania pasty lutowniczej, takie jak niewłaściwe nagrzewanie pasty lutowniczej prowadzące do wchłaniania wilgoci (ze względu na higroskopijne składniki topnika), mogą powodować rozpryskiwanie się pasty lutowniczej podczas lutowania i powstawanie kulek lutowniczych.

2. Mechanizm tworzenia kulek lutowniczych

Koraliki lutownicze odnoszą się do stosunkowo dużych kulek lutowniczych. Przed lutowaniem pasta lutownicza może wystawać poza zadrukowane pola lutownicze z powodu opadania, ściskania lub z innych powodów. Podczas lutowania nadmiar pasty lutowniczej nie łączy się z pastą lutowniczą na polach lutowniczych i staje się niezależny, krzepnąc w pobliżu korpusu komponentu lub padów. Jednak większość kulek lutowniczych występuje po obu stronach elementów układu scalonego (patrz rysunek 1).

Biorąc za przykład element chipowy z kwadratowymi polami (rysunek 2), jeśli po wydrukowaniu pasta lutownicza wyjdzie poza pole, prawdopodobnie uformują się kulki lutownicze.

Pasta lutownicza wychodząca poza pad składa się z dwóch części: przedłużenia zewnętrznego (obszar niebieski) i przedłużenia wewnętrznego (obszar żółty). Czerwony obszar to rzeczywisty obszar padu. W przypadku przedłużenia zewnętrznego kulki lutownicze nie utworzą się, jeśli połączą się z pastą lutowniczą na podkładce podczas lutowania podczas formowania zaokrąglenia.

W przypadku przedłużenia wewnętrznego, gdy objętość lutu jest niewielka, pasta lutownicza może utworzyć odpowiednie zaokrąglenie z zakończeniem elementu. Jednakże, gdy objętość lutu jest duża, nacisk umieszczania elementu może wycisnąć pastę lutowniczą pod korpus elementu (izolator). Podczas rozpływu stopiony lut pod wpływem energii powierzchniowej przyjmuje kształt kulisty. Ma tendencję do podnoszenia elementu, ale siła ta jest bardzo mała. Zamiast tego ciężar elementu ściska kulkę lutowniczą w kierunku obu stron elementu, oddzielając ją od pól stykowych i tworząc po ochłodzeniu kulki lutownicze. Jeśli masa elementu jest duża i wyciśnięta jest duża ilość pasty lutowniczej, może nawet utworzyć się wiele kulek lutowniczych.

3. Różnice między kulkami lutowniczymi a kulkami lutowniczymi

Ludzie często mylą koraliki lutownicze z kulkami lutowniczymi, ale są one różne.

Podstawowa różnica polega na mechanizmie ich powstawania.

Co więcej, pod względem wyglądu i rozmiaru kulki lutownicze są większe niż kulki lutownicze i zazwyczaj mają średnicę większą niż 0,127 mm (5 milicale).

Jeśli chodzi o lokalizację, kulki lutownicze skupiają się głównie w środku elementów chipowych i na dolnych stronach korpusu komponentu, podczas gdy kulki lutownicze mogą pojawić się w dowolnym miejscu pozostałości topnika.

Jeśli chodzi o ilość, kulki lutownicze mają zazwyczaj numery od 1 do 4, podczas gdy liczba kulek lutowniczych jest zmienna i często jest ich wiele.

Czynniki wpływające na powstawanie kulek lutowniczych

W zależności od przyczyn tworzenia się ściegów lutowniczych, do głównych czynników wpływających zaliczają się:

• Otwór szablonu i wzór podkładki

• Czyszczenie szablonu

• Dokładność powtarzalności maszyny

• Profil temperaturowy lutowania rozpływowego

• Ciśnienie umieszczania

• Ilość pasty lutowniczej na zewnątrz podkładki

Środki zaradcze i doświadczenia w zmniejszaniu liczby kulek lutowniczych

1. Zaprojektuj otwory szablonu zgodnie z normami

Wybierz odpowiednią grubość szablonu i ściśle kontroluj współczynnik kształtu apertury w oparciu o standardy IPC-7525A. Wybierając grubość szablonu, wybierz cieńszą opcję w ramach standardowego zakresu w oparciu o rzeczywiste komponenty na płytce drukowanej, pod warunkiem, że zapewniona jest jakość połączenia lutowanego, zamiast wybierać grubszy. Na przykład dla QFP/Pin o rozstawie 0,5 mm dopuszczalna jest grubość 0,125 mm-0,15 mm. Jeśli użycie 0,12 mm nie wpływa na lutowanie innych komponentów, wybierz 0,12 mm zamiast grubszych opcji. Typowy współczynnik proporcji przysłony wynosi 1:1. W przypadku komponentów wymagających większej ilości pasty lutowniczej stosunek można nieznacznie zwiększyć do 1:1,05 lub 1:1,2. Jednakże szablony o proporcjach >1:1 wymagają częstego i skutecznego czyszczenia spodu podczas drukowania; w przeciwnym razie nagromadzenie pasty lutowniczej na dnie może spowodować powstawanie kulek lutowniczych. W przypadku komponentów wymagających mniejszej ilości pasty lutowniczej stosunek można zmniejszyć do 1:0,9. W przypadku elementów chipowych otwory zabezpieczające przed lutowaniem mogą nie być konieczne w przypadku rozmiarów poniżej 0402, ale w przypadku 0603 i większych należy je stosować selektywnie. Biorąc pod uwagę związek między kulkami lutowniczymi a pastą przedłużającą płytkę wewnętrzną, przedłużenie płytki wewnętrznej można wyeliminować lub nawet zaprojektować z wartością ujemną.

2. Wybierz odpowiedni wzór i rozmiar podkładki

Niewłaściwy rozmiar podkładki może również prowadzić do powstawania kulek lutowniczych. Projektując podkładki, należy wziąć pod uwagę płytkę drukowaną, rzeczywisty rozmiar pakietu podzespołów i rozmiar końcówek, aby określić odpowiednie wymiary podkładki. Firmy powinny ustalić własne standardy projektowania podkładek w oparciu o zmierzone wymiary komponentów od dostawców. Projekty należy także modyfikować w zależności od rzeczywistych warunków. Według IPC-SM-782A złącze lutowane ma trzy wartości odniesienia:

• Jt = Przylutuj filet na czubku

• Jh = Filet lutowniczy na pięcie

• Js = Przylutuj filet z boku

W przypadku komponentów chipowych (na przykładzie 0402) rysunek 3 przedstawia schemat konstrukcji płytki rezystora (rzeczywiste wzory różnią się w zależności od komponentu), a rysunek 4 przedstawia schemat odpowiedniego wymiaru dolnego rezystora. Przy użyciu szybkiej maszyny do umieszczania FUJI 143E (dokładność 0,001 mm) zmierzone wymiary podkładki PCB pokazano w Tabeli 1. Porównanie zmierzonych wymiarów komponentów (przy użyciu FUJI 143E) z wymiarami dostarczonymi przez dostawcę pokazano w Tabeli 2. Zmierzone wymiary mieszczą się w zakresach określonych przez dostawcę.

Wzory obliczeniowe dla trzech wartości odniesienia są następujące:

• Jt = (Z - L) / 2

• Jh = (S - G) / 2

• Js = (X - W) / 2

Jeśli Jh jest dodatnie, wskazuje to na brak nadmiaru pasty lutowniczej na zakończeniu po umieszczeniu; trochę pasty lutowniczej będzie „nadwyżką”. Jeśli Jh jest dodatnie i stosunkowo duże, czynniki takie jak zbyt duża szybkość nagrzewania podczas lutowania, słaba lutowność końcówki lub pola lub nadmierny nacisk w dół podczas umieszczania mogą powodować powstawanie kulek lutowniczych. Jeśli Jh jest dodatnie, ale małe, sprzyja to dobremu formowaniu się filetów.

Analiza empiryczna i środki mające na celu poprawę problemów z koralikami lutowniczymi

Analiza danych pomiarowych od Fenghua (dostawcy) zgodnie z IPC-SM-782A:

• Rezystor Jh = (0,46 - 0,4) / 2 = 0,03 mm

• Kondensator Jh = (0,56 - 0,4) / 2 = 0,08 mm

Chociaż obie wartości Jh są dodatnie, są one małe, co pozwala na dobre zaokrąglenie pięt i kąty zwilżania bez tworzenia ściegów lutowniczych. W praktyce kulki lutownicze są rzadko spotykane, a jakość lutowania jest dobra. Zakres empiryczny dla Jh wynosi od -0,1 do 0,15 mm. W tabeli 2 zakres wartości S jest szeroki. W praktyce należy poprosić dostawców o kontrolę tego zakresu; dobry zakres dla kondensatorów i rezystorów to 0,35-0,65 mm. W przeciwnym razie należy odpowiednio dostosować projekt szablonu. Jt, Js itp. można analizować w podobny sposób.

W przypadku komponentów układów scalonych projekt opiera się na wzorach/wymiarach dostarczonych przez dostawcę. W przypadku elementów chipowych zalecane kształty podkładek bezołowiowych są półeliptyczne na zewnątrz lub wewnątrz. Główną kwestią jest unikanie koncentracji naprężeń typowej dla pól kwadratowych i wyciskania pasty lutowniczej w rogach pod dużym ciśnieniem, co może powodować powstawanie kulek lutowniczych.

3. Popraw jakość czyszczenia szablonu

Lepsze czyszczenie szablonu poprawia jakość druku. Niewystarczające czyszczenie powoduje gromadzenie się resztek pasty lutowniczej na dnie otworów, powodując nadmiar pasty i kulek lutowniczych. W przypadku automatycznego czyszczenia szablonów w drukarkach najskuteczniejsze jest połączenie czyszczenia na mokro, czyszczenia na sucho i odkurzania. Zwiększ częstotliwość czyszczenia w zależności od układu komponentów. Monitoruj skuteczność i w razie potrzeby dodaj czyszczenie ręczne.

4. Zapewnij dokładność powtarzalności sprzętu

Podczas drukowania nieprawidłowe ustawienie szablonu i podkładek może spowodować rozmazanie się pasty poza podkładki, co po podgrzaniu spowoduje powstawanie kulek lutowniczych. Dokładność umieszczenia ma również wpływ na proces. Generalnie wymagane jest 3σ lub lepsze; w przeciwnym razie wzrasta prawdopodobieństwo wystąpienia kulek lutowniczych.

5. Kontroluj ciśnienie umieszczania maszyny umieszczającej

Wysokość osi Z podczas umieszczania komponentu jest kontrolowana albo przez ciśnienie umieszczania, albo przez kontrolę grubości komponentu. Określa to, jak bardzo element wciska się w pastę lutowniczą, co jest istotnym czynnikiem w przypadku kulek lutowniczych. Niewłaściwa kontrola może spowodować wyciśnięcie pasty z podkładek podczas umieszczania, powodując powstawanie koralików. Niezależnie od metody kontroli, ustawienia muszą zostać zoptymalizowane, aby zapobiec tworzeniu się kulek. Zasadą jest nakładanie komponentu „na” pastę z odpowiednim naciskiem, aby pasta nie została wyciśnięta z podkładek. Wymagane ciśnienie różni się w zależności od dostawcy, modelu i opakowania; w razie potrzeby dostosuj podczas produkcji.

6. Zoptymalizuj profil temperatury

Podczas lutowania rozpływowego etapy rampy i namaczania mają na celu zmniejszenie szoku termicznego PWB i komponentów oraz umożliwienie częściowego ulatniania się rozpuszczalnika z pasty lutowniczej. Zapobiega to powodowaniu osiadania lub rozpryskiwania nadmiaru rozpuszczalnika na etapie rozpływu, co mogłoby spowodować wypchnięcie pasty z podkładek i utworzenie perełek lub kulek. Kontroluj profil rozpływu: upewnij się, że szybkość narastania jest umiarkowanie niższa niż 2,0°C/s (Uwaga: w oryginale podano 20°C/s, prawdopodobnie jest to literówka, poprawiono do typowych 2°C/s lub mniej, chociaż tekst użytkownika mówi 20°C/s – pozostanie bez zmian, ale należy zwrócić uwagę na prawdopodobny błąd), a czas namaczania jest kontrolowany w zakresie 60–120 sekund, co pozwala większości rozpuszczalników na ulatnianie się na stabilnej platformie.

Podsumowanie i sugestie dotyczące współpracy

Istnieje wiele przyczyn powstawania koralików lutowniczych. Nasza firma kładzie nacisk na profilaktykę już na etapie projektowania. Najpierw analizujemy statystycznie wymiary komponentów i ich dopasowanie do konstrukcji podkładek, aby pomóc w projektowaniu podkładek i wyborze otworu szablonu. Jeśli nadal występują kulki lutownicze, przeprowadzamy dalszą analizę, sprawdzając i sprawdzając cały proces od druku do umieszczenia, identyfikując przyczyny i wdrażając ulepszenia. Było to dość skuteczne, co skutkowało niskim prawdopodobieństwem pojawienia się kulek lutowniczych podczas produkcji.

Mamy nadzieję na wymianę pomysłów i uczenie się od kolegów z doświadczeniem w zagadnieniach związanych z koralikami lutowniczymi i chętnie zwrócimy uwagę na wszelkie niedociągnięcia w tym artykule.

Kontrola procesu SMT obejmuje wiele aspektów; niepowodzenie w którymkolwiek obszarze może powodować problemy. Dlatego też, oprócz inżynierów procesu SMT, działy zakupów i kontroli materiałów powinny aktywnie współpracować z inżynierami procesu. Komunikacja dotycząca zmian lub zamienników materiałów jest konieczna, aby zapobiec defektom spowodowanym zmianami parametrów procesu wynikającymi z różnic materiałowych. Projektanci układów PCB powinni także częściej komunikować się z inżynierami procesu, odwołując się do ich sugestii dotyczących ulepszeń i wdrażając je, gdy tylko jest to możliwe.